米勒循环天然气发动机工作过程仿真与优化研究

【摘要】：随着世界汽车产业的迅速发展，汽车排放和环境问题得到广泛关注，开发江南网页版登录入口官网下载 已是迫在眉睫的大事。虽然天然气燃烧清洁，但是天然气发动机存在燃烧爆震、热效率低等问题，迫切需要研究更加高效的天然气发动机。针对目前国内重型稀燃天然气发动机的研究现状，本文提出了Miller循环方式的天然气发动机技术，不仅可以在抑制爆震的前提下提高发动机的压缩比，提高了发动机的热效率，而且大大地降低了NOx排放，可以满足日益严格的排放法规。本文采用模拟仿真技术对Miller循环天然气发动机的工作过程进行了研究。 利用一维仿真研究了几何压缩比、进气门晚关角及膨胀比对发动机性能的影响规律，通过仿真发现：随着几何压缩比的增大，发动机扭矩增加，燃气消耗率降低，但发动机爆震倾向增加，并且几何压缩比越大，进气晚关角越小时，发动机的扭矩越大；随着进气门晚关角的增大，发动机扭矩下降，燃气消耗率增加，但缸内最高温度和压力随着进气门晚关角的增大而降低，能有效抑制爆震的发生；随着膨胀比的增大，发动机热效率升高，燃气消耗率降低，但在保证有效压缩比与原机相同时，发动机膨胀比越大，进气晚关角度就越大，使得进气回流量越多，充气效率降低，发动机扭矩下降。通过改善增压系统提高进气压力，弥补进气量的减少，保证了较高的发动机动力性及经济性。在增大膨胀比的同时采用进气门晚关的方式实现Miller循环，研究发现，当几何压缩比为13.5，进气晚关角为19°CA时，发动机热效率比原机提高了2.6%。 为了从微观上深入研究各参数对天然气发动机工作过程影响的机理，本文利用AVL FIRE建立了燃烧仿真平台，研究了进气晚关角、点火时刻对发动机缸内的速度场、湍动能、浓度场、温度场及NOx生成量的影响规律，研究发现： 在进气阶段缸内有明显滚流区，缸内涡流速度远大于滚流速度，并且缸内流体流速和湍动能都很高。压缩过程中，缸内涡流和滚流强度逐渐减小，缸内涡流呈刚性涡分布；在点火时刻时，火花塞附近的涡流和滚流强度较低，有利于形成稳定的火焰核心。缸内呈现由下向上混合气浓度由浓变稀的逆分层分布，即火花塞附近的混合气浓度较小，而燃烧室底部混合气较浓。燃烧过程中，火焰在缸内气流的作用下向火花塞对侧的进气门处传播的更快，火花塞始终处于高温区，火焰前锋面处产生的NOx比较多。 随着进气晚关角的增大，缸内最高燃烧压力降低，发动机做功能力降低，缸内放热率降低，温度降低，降低了爆震倾向的发生，大大抑制了NOx的生成，NOx生成量减少达50%以上。进气晚关角对进气初期缸内流场分布影响不大，但在进气后期和压缩冲程，随着进气晚关角的增大，缸内涡流速度增加，并且在点火时刻时，缸内涡流比和滚流比随着晚关角的增大而增大，有利于火焰的传播；随着进气晚关角的增大，气缸壁和燃烧室底部有较多的未燃混合气，不利于HC的排放。 本文研究了点火时刻对缸内混合气燃烧过程的影响，随着点火时刻的推迟，燃烧始点推迟，燃烧持续期变长，缸内最高燃烧压力降低，缸内放热率降低。随着点火时刻的提前，缸内最高燃烧压力变大且出现最大峰值的曲轴转角前移，缸内温度升高，增加了压缩负功和热损失，爆震倾向增加，可能引起发动机爆震，但合理的控制点火时刻可以弥补进气门晚关带来的功率上的下降。 随着点火时刻的推迟，NOx的排放量大大降低，降低幅度达85%，虽然推迟点火时刻能够降低缸内燃烧温度，但是燃烧持续期的增加，后燃比较严重，发动机排温较高。随着点火时刻的推迟，缸内混合气燃烧不充分，气缸壁和燃烧室底有较多的未燃混合气，HC排放增加。因此，要把点火时刻控制在合理的范围内，既要保证发动机动力性和热效率，又要使得发动机的排放较低。应用Miller循环技术需要联合标定发动机的各项参数，尽可能发挥Miller循环的潜力。 【关键词】：天然气发动机 Miller循环 进气门晚关角 膨胀比 点火时刻
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 天然气发动机的发展历程12-18
• 1.2.1 燃烧技术的发展13-16
• 1.2.2 Miller 循环16-18
• 1.3 Miller 循环天然气发动机发展现状18-19
• 1.3.1 国外现状18-19
• 1.3.2 国内现状19
• 1.4 课题主要研究工作与意义19-21
• 第2章 Miller 循环天然气发动机一维仿真研究21-35
• 2.1 GT-Power 模型建立与验证21-24
• 2.2 Miller 循环计算研究24-33
• 2.2.1 发动机压缩比与进气门晚关角的研究25-29
• 2.2.2 发动机膨胀比的优化研究29-32
• 2.2.3 进气压力对 Miller 循环的影响32-33
• 2.3 本章小结33-35
• 第3章 天然气发动机模拟平台建立及燃烧模拟分析35-53
• 3.1 几何模型的建立35-36
• 3.2 计算网格的建立36-37
• 3.3 模型及算法选择37-39
• 3.3.1 湍流模型37-38
• 3.3.2 燃烧模型38
• 3.3.3 排放模型38
• 3.3.4 计算方法38-39
• 3.4 计算初始边界条件39
• 3.5 计算结果分析39-51
• 3.5.1 模型的有效性验证39-41
• 3.5.2 缸内参数分析41-51
• 3.5.2.1 缸内速度场演变过程41-44
• 3.5.2.2 缸内湍流动能演变过程44-47
• 3.5.2.3 缸内混合气浓度场演变过程47-49
• 3.5.2.4 缸内温度场的演变过程49-50
• 3.5.2.5 缸内 NOx 排放分布规律50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第4章 进气晚关角及点火时刻对缸内流动燃烧过程影响的数值模拟53-77
• 4.1 进气晚关角对缸内混合气形成及燃烧的影响53-66
• 4.1.1 模拟计算结果分析53-55
• 4.1.2 缸内参数分析55-66
• 4.1.2.1 缸内混合气速度场变化规律55-57
• 4.1.2.2 缸内混合气湍动能变化规律57-60
• 4.1.2.3 缸内混合气浓度场变化规律60-62
• 4.1.2.4 缸内混合气温度场的变化规律62-63
• 4.1.2.5 缸内爆震倾向的变化规律63-65
• 4.1.2.6 缸内 NOx 生成量的变化规律65-66
• 4.2 点火时刻对缸内混合气形成及燃烧的影响66-74
• 4.2.1 模拟计算结果分析66-68
• 4.2.2 缸内参数分析68-74
• 4.2.2.1 不同点火时刻缸内混合气浓度场的变化规律68-69
• 4.2.2.2 不同点火时刻缸内混合气温度场的变化规律69-71
• 4.2.2.3 不同点火时刻缸内爆震倾向的变化规律71-72
• 4.2.2.4 不同点火时刻缸内 NOx 量的变化规律72-74
• 4.3 本章小结74-77
• 第5章 全文总结及工作展望77-81
• 5.1 全文总结77-79
• 5.2 工作展望79-81
• 参考文献81-85
• 作者简介及科研成果85-86
• 致谢86

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